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新型商用空调逆变器硬件电路方案

发布时间:2018-4-18 9:44:43
 

一、导言

依照世界通用规范,商用空调是3HP以上空调机组的总称。近年来,变频空调技能已日趋老练。跟着永磁同步压缩机技能的开展,压缩机的单机功率出现添加趋势,与之相应的空调变频化规划也从小功率的单相220V供电的家用空调体系,向较大功率的三相380V户用中央空调与商用空调体系延伸。特别以多联机空调机组为代表,其变频率超越了90%。跟着空调体系功率段的进步,对逆变器硬件电路的规划也提出新的要求与挑战。在中大功率的运用中,对功率器材的温度检测与体系牢靠性的要求也随之进步。本文以用于10HP商用空调的压缩机逆变器为研讨对象,规划了一种新的硬件电路完成计划,选用英飞凌公司的IGBT模块FP35R12KT4和磁阻隔型驱动IC建立逆变电路进行验证,并与实践的商用空调软件体系进行联机测验,试验成果证明新的驱动电路能够进步体系牢靠性,并且IGBT模块具有更大的结温余量,能够简化散热规划。一起,选用IGBT模块的主逆变计划,为空调厂家应对压缩机单机功率的进步,保持硬件电路渠道化规划,供给了更大的灵敏度。

二、 逆变器硬件电路规划

因为直流母线上有大电容的存在,在整流桥输入上电瞬间,电容两头相当于短路状况,且其两头电流突变,这样就需求有预充电电路,避免电源接通瞬间的浪涌电流对整流部分的冲击。本规划选用的直流母线预充电电路如图1所示,热敏电阻在上电瞬间对电容充电电流进行约束,当电容组的端电压到达母线电压90%后,将预充电支路旁路掉。
与典型的变频空调逆变计划相似,三相两电平逆变结构是变频商用空调逆变器的干流规划。在小功率的家用变频空调规划中(3HP以下,单相220V输入),遍及选用集成了功率IGBT与驱动芯片的IPM进行规划。而跟着压缩机技能的开展,商用空调压缩机的单机最大功率从10HP、12HP开展到16HP、22HP,逆变器额外输出电流也由之前的20A,进步到35A、50A,市场上可供挑选的IPM现已十分有限,且价格昂贵。集成三相整流桥与逆变桥的IGBT模块,其标称电流才能从25A到100A,习惯于逆变器不同功率段一致渠道化规划的需求,且本钱优势显着。

图1:直流母线预充电电路

2.1 IGBT模块外围采样电路规划

2.1.1电流采样电路规划)
因为空调压缩机内部的高温、腐蚀性环境无法设备方位传感器, 压缩机逆变器需求选用无方位传感器的操控办法。在无传感器操控办法中,电动机相电流有用检测是进步操控功用的重要环节。常见三种不同的采样办法,如图2所示。


图2:空调压缩机逆变器常见的电流采样办法

这三种不同的采样办法的特点别离如下:

1) 线电流采样:所见即所得,无需重构,但本钱最高(需求阻隔或电平变换)。

2) 桥臂电流采样:杂乱度中等,易于重构,本钱适中。但三电阻需求较大的PCB 布板面积并形成必定的电路损耗,且不合适下桥臂不敞开的智能功率模块IPM 的运用场合。

3) 负母线单电阻电流采样:其根本原理是,在SVPWM 操控体系中,当运用非零的根本矢量时,依据逆变桥开关状况能够经过丈量直流母线的瞬时电流来重构电动机的相电流。其时序杂乱,重构困难,本钱最低。

在变频空调体系规划中,因为体系本钱的约束,单电阻采样办法越来越遭到欢迎。在本规划中,为了习惯不同操控战略的操控板联合调试的需求,在硬件电路上,一起装备线电流采样和负母线电流采样的霍尔传感器元件,如图3所示。


图3:电流采样电路暗示

2.1.2电压采样电路规划)
在空调体系规划中,一般需求进行母线过欠压维护,能够选用简略的电阻分压电路,以及进行电压信号的采样。为避免搅扰,选用差分办法进行采样,如图4所示。


图4:电压采样电路暗示

2.2 驱动部分电路规划
在中大功率的运用中,因为体系电流等级的进步,为完成牢靠的体系硬件规划,IGBT驱动部分的规划十分要害。

在变频空调逆变器的运用中,如前文所述,单电阻电流采样的办法越来越遭到欢迎,因为负母线采样电阻或许电流传感器的引进,理想化的最小驱动环路在实践体系中较难完成, IGBT的驱动部分电路,跨过了采样电阻引进的环路,杂散电感不行忽视。空调逆变器一般选用的IPM模块中,运用热地衔接的不阻隔型驱动IC,并选用0V驱动电压关断IGBT。在小功率体系中,因为负载电流小,经过优化电路规划,寄生效应所带来的影响一般不太显着。而在商用空调的运用中,跟着电流等级的进步,驱动信号的误动作往往不行忽视。

以一个桥臂为例,进行剖析。如图5所示,在上管T1注册过程中,D2上的续流电流向T1换向,二极管的反向恢复电流改动发作-diC2/dt,位移电流经过下管T2驱动环路的杂散电感LσE2,会发作电压vσE2=-LσE2 ,将E端参阅电位拉到负。当感应电压超越IGBT的门极阈值电压VGEth,会有误导通的风险。


图5:杂散电感在E极上引起的感应电压

门极误导通,不但与环路的杂散电感影响有关,也与IGBT的米勒电容有关。相同以半桥电路为例进行剖析,在图6中,下桥臂IGBT注册过程中,会发作一个很高的瞬态电压改动dvCE/dt,它会引起一个位移电流 的活动,然后对上桥臂IGBT的门极-集电极寄生电容CCG进行充电。电容CCG和CGE构成一个容性分压器,图6示例了电流iCG流经IGBT米勒电容的途径。

电流iCG流经米勒电容、门极串联电阻、CGE与直流母线。这个电流在门极电阻两头发作电压差 ,假如该电压差超越IGBT的门极阈值电压VGEth,就将引起IGBT的寄生导通。


图6:位移电流经过IGBT米勒电容的途径

图7给出了实践运用中观测到的,0V关断时可能引起的门极误触发信号的实例。


图7:0V关断可能引起的门极误触发

一般有四种办法来处理以上问题:

1)改动门极电阻:添加门极注册电阻RGon能够削减IGBT注册时的di/dt与dv/dt,,可是会添加注册损耗。削减关断电阻RGoff,能够下降由米勒电容引起的门极误动作;可是杂散电感所带来的门极效应,需求经过添加关断电阻RGoff来下降。并且,关断电阻的削减,一起要兼顾IGBT关断时的电压过冲。

2)添加G-E间电容:在门极与发射极之间外加电容,能够约束米勒电流,一起因为G-E间添加电容,总输入电容增大,门极充电要到达门极驱动的阈值电压需求更多的电荷。添加Cge后,驱动电源所需功耗添加,相同的门极驱动电阻情况下IGBT的开关损耗也会添加。

3)选用负压关断: IGBT模块的驱动电路中,选用门极负电压来安全关断,是很典型的运用。但在变频空调逆变器,一般运用的IPM,内部选用热地衔接的非阻隔驱动IC,无法完成负压关断。

4)有源米勒钳位:在空调逆变规划中,从本钱考量,往往运用0V关断。为了避免Rg与Cge优化所带来的损耗折中问题,还有一种避免0V关断时门极误动作的办法是有源米勒钳位技能。其完成办法是,实时监测处于关断时序的IGBT的门极信号,当它到达某个值时,经过低阻抗回路将门极拉至0V。图8所示为集成有源米勒钳位功用的驱动芯片的功用暗示图。


图8:驱动芯片有源米勒钳位功用暗示

本规划中选用阻隔型驱动芯片进行IGBT驱动部分的电路规划,具有负电压关断与有源米勒钳位的功用装备,供给给用户更灵敏的挑选,详细外围电路规划如图9所示。


图9:驱动芯片外围电路规划图

本规划中运用的驱动芯片1ED020I12-F2,针对每个IGBT在短路瞬间的退饱和状况进行实时监测,能够完成更有针对性地短路维护,并且在体系规划中,将短路与过流两种不同的维护机制分隔,更有用地进步体系操控的精确性与牢靠性。一起,因为1ED芯片内部还集成有Vge钳位功用,避免了一般可见的短路时门极因为di/dt影响形成的电位上漂,确保了IGBT有用的短路安全作业区。

在商用空调的规划中,往往会考虑短路带来的牢靠维护问题。在IPM中短路与过流维护的完成,都是依据负母线电流检测或许下桥臂电流检测,经过内部集成的驱动芯片上的一个Itrip引脚来完成,当检流电阻上的电流超越设定阀值时,关断所有6路的驱动信号。这种维护办法只能针对整个逆变体系,但关于详细的短路方位则没有反应。因为电流检测自身有滤波加上IPM内部传输延时,这样的维护办法关于桥臂直通短路中电流的敏捷改动,往往力不从心。

2.3 温度检测与维护电路规划

在中大功率运用中,功率逆变器部分的散热功用是体系规划的另一个注重要点。跟着体系功率密度的不断进步,近年来关于怎么精确地完成温度的检测与维护引起广泛的讨论。本规划所选用的IGBT模块FP35R12KT4,在规划初期,依据10HP压缩机额外输出电流19A以及通用的开关频率5kHz运用条件,在英飞凌的在线损耗与温度仿真渠道IPOSIM下进行了仿真。仿真成果标明,该模块能够在55°C的环境温度工况下,运用典型的风冷散热条件,IGBT模块所到达的最高作业结温为105°C,体系能够安全牢靠的作业且留有很大的安全余量。

本规划选用的IGBT模块中,IGBT/续流二极管芯片与热敏电阻NTC设备在同一块DCB上,如图10所示。IGBT与二极管芯片的损耗所发作的热量一方面经过纵向的散热途径耗散,另一方面热量经过DCB与基板横向耦合影响内部热敏电阻NTC。假如在规划中能够事先测得NTC温度与芯片实践结温之间的对应联系,就能够经过丈量NTC的温度,来估测IGBT芯片的平均结温,然后依据规划余量自行设定体系的温度维护点。

图10: IGBT模块中,芯片与NTC设备方位暗示

本规划中运用外接电阻与NTC分压的办法,如图11,开始设定90°C为NTC的温度维护点。当NTC检测温度高于设定值,比较器输出高电平信号,OTP点电平翻转。

图11:IGBT过温维护电路

需求留意的是,运用NTC做过温维护只适用于正常稳态下的温度维护,并不合适芯片的瞬时温度改动,比方IGBT短路时引起的芯片温度剧烈改动,其改动时刻在us级,而NTC的热耦合时刻常数往往在分钟级或秒级,用NTC做这样的维护往往来不及。

三、 体系完成与测验验证

依据上述剖析,选用英飞凌公司的IGBT模块IGBT模块FP35R12KT4与阻隔型驱动芯片1ED020I12-F2建立了硬件体系,为了完成便利的软件联调,辅佐供电部分也包含在同一块硬件板上,如图12所示。

图12:硬件电路功用暗示

本规划在试验室功用验证的基础上,与实践的空调整机进行软件联调,验证该硬件电路在实践体系中的可行性与温度特性。图13给出了体系验证试验设备图。

图13:体系验证试验设备

为验证本规划在实践体系中的温度体现,咱们在模块正下方的IGBT芯片方位处,放置热电偶进行IGBT壳温Tc的收集,如图14所示。在不同的负载电流下测得的Tc温度值如表1所示。依据IPOSIM核算得到的器材损耗以及标准书中的结壳热阻参数Rthjc,进行核算,能够得到表1中所示的结温Tvj。

图14:温度测验点暗示图

测验条件fsw=5kHz,Ta=20°C,Vbus=540V
输出电流 (RMS值)12.3A13.8A15.9A16.4A17A
输出功率3.12kW7.27kW8.9kW10.2kW11.2kW
输出频率20Hz61Hz65Hz83Hz94Hz
单个IGBT芯片总损耗 (W)9.73W11.49W14.07W14.33W15.19W
丈量所得IGBT壳温Tc ( °C)3540424648
IGBT结温Tvj( °C)
(依据标准书Rthjc 核算)4552576264

表1:温度测验成果记载

因为测验是在20°C环境温度进行的,测验所得的最高壳温,以及核算所得的最高结温,还需求综合考虑空调客户体系规划中实践环境温度高达55°C的要求。由测验成果能够看出,在55°C环境温度下,核算出的本规划中的IGBT最高结温约为100°C,由此可见,本规划在进步体系功率密度方面仍然有较大的改进空间,能够支撑运用更高的开关频率,添加输出总功率或许有用减小散热器尺度。

测验试验除了验证体系散热特性,还进行了母线电压维护,以及输出相间短路维护的体系验证测验。由图15(a)可见,当相间短路发作时,输出电流关断;图15(b),相应环路中的IGBT发作退饱和,对应的驱动芯片关断此路的驱动输出信号,在默许延时时刻后,输出毛病报错信号;一起,如图15(c)所示,规划板上相应的毛病指示灯被点亮。

图15 (a)输出电流波形
图15(b)短路时,IGBT驱动与维护信号波形

图15(c)硬件电路短路指示
图15:实践相间短路测验,波形与指示暗示
 
四、带给用户的优势与规划展望

开始的硬件体系比较标明,本规划较相同输出功率的IPM规划计划,能够为空调客户节省10%以上的体系本钱。
本规划中用于验证的英飞凌IGBT模块为Econo2封装。跟着商用空调单体压缩机功率的不断进步,Econo3封装的IGBT模块更合适于16HP-22HP商用空调逆变器部分。经过如图16所示的PCB板规划的兼容考虑,客户能够选用渠道化的规划思路,进行一系列逆变器产品的开发。

图16:Econo2与Econo3封装,IGBT模块兼容规划

别的,在中大功率的逆变规划中,温度监测与维护遭到越来越多的注重。前文提到,咱们在开始热仿真过程中,运用的是IGBT模块标准书中的开关损耗参数,此参数是在模块生产厂家的测验渠道下进行丈量得到的。因为不同的功率环路、驱动环路、注册与关断电压等,都对IGBT开关损耗有影响。因此,愈加精确的损耗定标,用户需求在体系电气调试的过程中,在用户自己实践的功率环路、驱动电路、以及体系电压与电流条件下,进行开关损耗的实践丈量,并将测验成果代入损耗核算与热仿真剖析,能够进一步进步体系温度评价的精确性。

一起,能够在实践体系的散热条件下,对IGBT结温与NTC之间的温度联系进行定标,更好的发挥NTC关于体系温度维护的效果。

五、 结论

本文中,选用IGBT模块与阻隔型驱动芯片规划的新式变频商用空调硬件体系,比较传统IPM计划,大大进步了体系牢靠性,有用下降了体系本钱,并供给了更便利精确的温度维护。一起,应对空调压缩机的单机功率进步的新趋势,空调厂商能够参阅本规划,进行渠道化的系列产品开发,大大缩短其研制周期。
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